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THz-Hohlleiter-Schalter basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren

Lämmle, David :
THz-Hohlleiter-Schalter basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6649]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6649

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums birgt ein großes Potential in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Jedoch ist die Erzeugung und Detektion, aber auch die Wellenleitung im THz-Bereich wesentlich komplexer als in anderen Frequenzbereichen. Nur durch die Entwicklung neuer Komponenten für diese Frequenzen kann das Potential des THz-Bereichs voll ausgeschöpft werden. Beim wellenleiterbasierten integrierten Schalter handelt es sich um eine solche Komponente, die die Funktionalität von THz-Systemen erhöhen könnte. Solche Schalter können zwischen der Reflektion und Transmission einer THz-Welle umschalten und stellen somit einen Schritt in Richtung integrierter adaptiver THz-Netzwerke dar. In einer Recherche zum Stand der Technik konnte jedoch kein Bauteil dieser Art gefunden werden. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit von THz-Hohlleiter-Schaltern, basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren untersucht werden. Der Hohlleiter wird aufgrund der geringen Verluste und des Potentials zur Verwirklichung integrierter Systeme als Wellenleiter ausgewählt. Bei dem gewählten Frequenzbereich von 325 - 500 GHz ergibt sich für den Hohlleiter ein Querschnitt von 0,28 mm × 0,57 mm. Aufgrund dieser kleinen Dimensionen wird die Verwendung von mikrotechnischen Aktoren, auch im Hinblick auf Schalter für noch höhere Frequenzen als sinnvoll angesehen. Insbesondere bieten sich elektrostatische Wanderkeilaktoren wegen des großen Aktorhubs an. Sie bestehen aus einer ortsfesten Elektrode, einem Dielektrikum und einer gekrümmten flexiblen Elektrode. Legt man eine Spannung zwischen den beiden Elektroden an, rollt sich die gekrümmte Elektrode auf das Dielektrikum ab. Für Frequenzen bis 110 GHz existieren unterschiedlichste Arten von Hohlleiterschaltern. Neben halbleiterbasierten Elementen gibt es feinwerktechnische mechanische Schalter, aber auch mikrotechnische Schalter mit integrierten elektrostatischen Wanderkeilaktoren. Diese Wanderkeilaktoren werden so in den Hohlleiter integriert, dass eine gekrümmte Elektrode im Hohlleiter einen ohmschen Kontakt erzeugt, welcher bei der Aktuierung unterbrochen wird. Sind die Frequenzen der elektromagnetischen Welle klein genug, kann der integrierte Aktor als senkrechte Wand approximiert werden, woran die Welle reflektiert wird. Aufgrund der geringen Wellenlängen bei Frequenzen von über 100 GHz ändert sich jedoch die Art wie die Welle mit der gekrümmten Elektrode des Aktors interagiert. Dies wirkt sich stark auf die Isolation des Schalters aus. Des Weiteren wird im Stand der Technik ein Zusammenhang zwischen dem Kontaktwiderstand des Schalters und der Isolation angenommen. Dies bedeutet, dass für eine hohe Isolation möglichst große Kontaktkräfte am Schalter notwendig sind, jedoch ist nicht bekannt, bis zu welchem Maß diese Kräfte erhöht werden können. Die Frage nach den Grenzen von Wanderkeilaktoren für THz-Schalter in Bezug auf deren Kontaktkräfte und die Untersuchung unterschiedlicher Schalteranordnungen für die Realisierung von THz-Schaltern mit einer hohen Isolation werden aus den besagten Gründen als die zentralen Motive dieser Arbeit angesehen. Hierzu wird zuerst die Herstellung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren untersucht. Die galvanische Fertigung von gekrümmten Nickelbalken durch die gezielte Variation der intrinsischen Spannung im Material steht bei der Herstellung im Vordergrund. Um Aktoren mit definierten Aktuierungsspannungen und Kontaktkräften realisieren zu können, ist eine detaillierte Untersuchung des Galvanikprozesses erforderlich. Für die mikrotechnische Fertigung der Aktoren sind noch weitere Schichten wie Dielektrikum, Gegenelektrode und Opferschicht notwendig. Der experimentelle Vergleich verschiedener Prozessabläufe ergab, dass sich die größte Zuverlässigkeit in der Herstellung durch die Verwendung von thermischem Oxid als Dielektrikum und Kupfer als Opferschicht erzielen lässt. Um Aktoren mit hohen Kontaktkräften bei einem definierten Aktorhub auslegen zu können, wird ein analytisches Modell eingeführt und validiert. Zusätzlich werden Versuche durchgeführt, um die Grenzen in der Herstellbarkeit unterschiedlich dimensionierter Aktoren zu erörtern. Durch die Zusammenführung dieser Erkenntnisse kann eine Aussage über die Funktionsfähigkeit einer beliebigen Aktorgeometrie in Bezug auf die Fertigung und die theoretischen Limitierungen getroffen werden. Durch die Charakterisierung von funktionsfähigen Aktoren werden die so gewonnenen Erkenntnisse validiert. Eine weitere wesentliche Komponente des Schalters ist der Hohlleiter selbst. So wird ein Hohlleitersystem benötigt, welches möglichst geringe Verluste aufweist und durch eine einfache Integration von Aktoren einen Vergleich unterschiedlicher Schaltervarianten ermöglicht. Hierfür werden verschiedene Konzepte mit mikrotechnischen und gefrästen Hohlleitern erarbeitet und miteinander verglichen. Das erfolgversprechendste Konzept beinhaltet einen gefrästen Splitblock, welcher ausgearbeitet, gefertigt und vermessen wird. Dem darauf folgenden Entwurf von THz-Schaltern liegen die zuvor gewonnenen Entwurfsgrundlagen und Konzepte zugrunde. So werden Variationen in der Geometrie mit angepassten Kontaktwiderständen durch Simulationen miteinander verglichen. Die Kontaktwiderstände lassen sich bei jeder Anordnung aus den maximal erreichbaren Kontaktkräften bestimmen. Die durchgeführten Vergleiche ergeben, dass die typischerweise für kleinere Frequenzen gewählte Anordnung mit einem Aktor, welcher senkrecht zur kurzen Seite des Hohlleiters integriert ist, nur sehr schwer herstellbar ist. Der Aktor darf, um annehmbare Isolationen zu gewährleisten, nur mit Schichtdicken kleiner 1 µm gefertigt werden, was unter Verwendung von galvanischen Prozessen nur bedingt möglich ist. Besser geeignet ist eine Schalteranordnung, welche auf einem Wanderkeilaktor basiert, der senkrecht zur langen Seite des Hohlleiters integriert wird. Diese Anordnung wird optimiert, aufgebaut und vermessen. Die Charakterisierung erfolgt zunächst an passiven integrierten Aktorstrukturen und ergibt eine mittlere Einfügungsdämpfung von 5,6 dB und eine mittlere Isolation von 21,3 dB. Auch wenn die finale Charakterisierung eines vollständigen Schalters noch aussteht, sollte man nicht vergessen, dass es sich bei diesen Ergebnissen um die ersten auf dem Gebiet der THz-Hohlleiterschalter handelt. Zusätzlich sind in den Themenfeldern der Galvanik, der Mikroaktorik und Hohlleitertechnik durch Versuche, Theorien und konzeptionelle Arbeiten Erkenntnisse gewonnen worden, die über den Stand der Technik hinausgehen. Durch die Abhängigkeit der einzelnen Bereiche zueinander ergibt sich eine Komplexität, die die Bearbeitung der einzelnen Bereiche allein weit übersteigt. Die Auseinandersetzung mit all diesen Themen führt zu den allgemeinen Grundlagen für die Auslegung von wanderkeilbasierten Hohlleiterschaltern, unabhängig von den gewählten Frequenzen und dem gewählten Design.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Lämmle, David
Titel: THz-Hohlleiter-Schalter basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Der THz-Bereich des elektromagnetischen Spektrums birgt ein großes Potential in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern. Jedoch ist die Erzeugung und Detektion, aber auch die Wellenleitung im THz-Bereich wesentlich komplexer als in anderen Frequenzbereichen. Nur durch die Entwicklung neuer Komponenten für diese Frequenzen kann das Potential des THz-Bereichs voll ausgeschöpft werden. Beim wellenleiterbasierten integrierten Schalter handelt es sich um eine solche Komponente, die die Funktionalität von THz-Systemen erhöhen könnte. Solche Schalter können zwischen der Reflektion und Transmission einer THz-Welle umschalten und stellen somit einen Schritt in Richtung integrierter adaptiver THz-Netzwerke dar. In einer Recherche zum Stand der Technik konnte jedoch kein Bauteil dieser Art gefunden werden. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit von THz-Hohlleiter-Schaltern, basierend auf Nickel-Wanderkeilaktoren untersucht werden. Der Hohlleiter wird aufgrund der geringen Verluste und des Potentials zur Verwirklichung integrierter Systeme als Wellenleiter ausgewählt. Bei dem gewählten Frequenzbereich von 325 - 500 GHz ergibt sich für den Hohlleiter ein Querschnitt von 0,28 mm × 0,57 mm. Aufgrund dieser kleinen Dimensionen wird die Verwendung von mikrotechnischen Aktoren, auch im Hinblick auf Schalter für noch höhere Frequenzen als sinnvoll angesehen. Insbesondere bieten sich elektrostatische Wanderkeilaktoren wegen des großen Aktorhubs an. Sie bestehen aus einer ortsfesten Elektrode, einem Dielektrikum und einer gekrümmten flexiblen Elektrode. Legt man eine Spannung zwischen den beiden Elektroden an, rollt sich die gekrümmte Elektrode auf das Dielektrikum ab. Für Frequenzen bis 110 GHz existieren unterschiedlichste Arten von Hohlleiterschaltern. Neben halbleiterbasierten Elementen gibt es feinwerktechnische mechanische Schalter, aber auch mikrotechnische Schalter mit integrierten elektrostatischen Wanderkeilaktoren. Diese Wanderkeilaktoren werden so in den Hohlleiter integriert, dass eine gekrümmte Elektrode im Hohlleiter einen ohmschen Kontakt erzeugt, welcher bei der Aktuierung unterbrochen wird. Sind die Frequenzen der elektromagnetischen Welle klein genug, kann der integrierte Aktor als senkrechte Wand approximiert werden, woran die Welle reflektiert wird. Aufgrund der geringen Wellenlängen bei Frequenzen von über 100 GHz ändert sich jedoch die Art wie die Welle mit der gekrümmten Elektrode des Aktors interagiert. Dies wirkt sich stark auf die Isolation des Schalters aus. Des Weiteren wird im Stand der Technik ein Zusammenhang zwischen dem Kontaktwiderstand des Schalters und der Isolation angenommen. Dies bedeutet, dass für eine hohe Isolation möglichst große Kontaktkräfte am Schalter notwendig sind, jedoch ist nicht bekannt, bis zu welchem Maß diese Kräfte erhöht werden können. Die Frage nach den Grenzen von Wanderkeilaktoren für THz-Schalter in Bezug auf deren Kontaktkräfte und die Untersuchung unterschiedlicher Schalteranordnungen für die Realisierung von THz-Schaltern mit einer hohen Isolation werden aus den besagten Gründen als die zentralen Motive dieser Arbeit angesehen. Hierzu wird zuerst die Herstellung von elektrostatischen Wanderkeilaktoren untersucht. Die galvanische Fertigung von gekrümmten Nickelbalken durch die gezielte Variation der intrinsischen Spannung im Material steht bei der Herstellung im Vordergrund. Um Aktoren mit definierten Aktuierungsspannungen und Kontaktkräften realisieren zu können, ist eine detaillierte Untersuchung des Galvanikprozesses erforderlich. Für die mikrotechnische Fertigung der Aktoren sind noch weitere Schichten wie Dielektrikum, Gegenelektrode und Opferschicht notwendig. Der experimentelle Vergleich verschiedener Prozessabläufe ergab, dass sich die größte Zuverlässigkeit in der Herstellung durch die Verwendung von thermischem Oxid als Dielektrikum und Kupfer als Opferschicht erzielen lässt. Um Aktoren mit hohen Kontaktkräften bei einem definierten Aktorhub auslegen zu können, wird ein analytisches Modell eingeführt und validiert. Zusätzlich werden Versuche durchgeführt, um die Grenzen in der Herstellbarkeit unterschiedlich dimensionierter Aktoren zu erörtern. Durch die Zusammenführung dieser Erkenntnisse kann eine Aussage über die Funktionsfähigkeit einer beliebigen Aktorgeometrie in Bezug auf die Fertigung und die theoretischen Limitierungen getroffen werden. Durch die Charakterisierung von funktionsfähigen Aktoren werden die so gewonnenen Erkenntnisse validiert. Eine weitere wesentliche Komponente des Schalters ist der Hohlleiter selbst. So wird ein Hohlleitersystem benötigt, welches möglichst geringe Verluste aufweist und durch eine einfache Integration von Aktoren einen Vergleich unterschiedlicher Schaltervarianten ermöglicht. Hierfür werden verschiedene Konzepte mit mikrotechnischen und gefrästen Hohlleitern erarbeitet und miteinander verglichen. Das erfolgversprechendste Konzept beinhaltet einen gefrästen Splitblock, welcher ausgearbeitet, gefertigt und vermessen wird. Dem darauf folgenden Entwurf von THz-Schaltern liegen die zuvor gewonnenen Entwurfsgrundlagen und Konzepte zugrunde. So werden Variationen in der Geometrie mit angepassten Kontaktwiderständen durch Simulationen miteinander verglichen. Die Kontaktwiderstände lassen sich bei jeder Anordnung aus den maximal erreichbaren Kontaktkräften bestimmen. Die durchgeführten Vergleiche ergeben, dass die typischerweise für kleinere Frequenzen gewählte Anordnung mit einem Aktor, welcher senkrecht zur kurzen Seite des Hohlleiters integriert ist, nur sehr schwer herstellbar ist. Der Aktor darf, um annehmbare Isolationen zu gewährleisten, nur mit Schichtdicken kleiner 1 µm gefertigt werden, was unter Verwendung von galvanischen Prozessen nur bedingt möglich ist. Besser geeignet ist eine Schalteranordnung, welche auf einem Wanderkeilaktor basiert, der senkrecht zur langen Seite des Hohlleiters integriert wird. Diese Anordnung wird optimiert, aufgebaut und vermessen. Die Charakterisierung erfolgt zunächst an passiven integrierten Aktorstrukturen und ergibt eine mittlere Einfügungsdämpfung von 5,6 dB und eine mittlere Isolation von 21,3 dB. Auch wenn die finale Charakterisierung eines vollständigen Schalters noch aussteht, sollte man nicht vergessen, dass es sich bei diesen Ergebnissen um die ersten auf dem Gebiet der THz-Hohlleiterschalter handelt. Zusätzlich sind in den Themenfeldern der Galvanik, der Mikroaktorik und Hohlleitertechnik durch Versuche, Theorien und konzeptionelle Arbeiten Erkenntnisse gewonnen worden, die über den Stand der Technik hinausgehen. Durch die Abhängigkeit der einzelnen Bereiche zueinander ergibt sich eine Komplexität, die die Bearbeitung der einzelnen Bereiche allein weit übersteigt. Die Auseinandersetzung mit all diesen Themen führt zu den allgemeinen Grundlagen für die Auslegung von wanderkeilbasierten Hohlleiterschaltern, unabhängig von den gewählten Frequenzen und dem gewählten Design.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
LOEWE > LOEWE-Schwerpunkte > STT - Sensors Towards Terahertz – Neuartige Technologien für Life Sciences, Prozess- und Umweltmonitoring
Hinterlegungsdatum: 03 Sep 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6649
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-66496
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. ; Jakoby, Prof. Dr. Rolf
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 April 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
The THz range of the electromagnetic spectrum offers great potential in a wide range of applications. However, the generation and detection as well as the wave guidance in the THz range is much more complex than in other frequency ranges. Only by the development of new components for these frequencies can the potential of the THz range be fully exploited. The waveguide-based integrated switch is such a component that could increase the functionality of THz systems. Such switches can switch between the reflection and transmission of a THz wave and are therefore leading one step closer to integrated adaptive THz networks. However, no component of this type could be found in an investigation of the state of the art. For this reason, the performance of THz waveguide switches based on zipper actuators with curved nickel electrodes is examined. A rectangular hollow waveguide is chosen as a waveguide because of the low losses and the potential for the realization of integrated systems. At the selected frequency range of 325 - 500 GHz, a waveguide with a cross-section of 0.28mm × 0.57 mm is needed. Due to the small dimensions, the use of micromechanical actuators is considered to be useful, also with regard to switches for even higher frequencies. Electrostatic zipper actuators are a good choice because of the large actuator stroke. They consist of a fixed electrode, a dielectric and a curved flexible electrode. If a voltage is applied between the two electrodes, the curved electrode is pulled down onto the dielectric. For frequencies up to 110 GHz, various types of waveguide switches exist. In addition to semiconductor-based elements, there are precision engineered switches, but also micro-mechanical switches with integrated electrostatic zipper actuators. These zipper actuators are integrated into the waveguide in such a way that a curved electrode in the waveguide generates an ohmic contact, which is interrupted by actuation. If the frequencies of the electromagnetic wave are small enough, the integrated actuators can be approximated as a perpendicular wall, where the wave is reflected. However, due to the small wavelengths at frequencies above 100 GHz, the way the wave interacts with the curved electrode of the actuator changes. This has a strong effect on the isolation of the switch. Furthermore, a connection between the contact resistance of the switch and the isolation is mentioned in the prior art. This means that contact forces as high as possible are required at the switch for a high isolation, but it is not known to what extent these forces can be increased. For these reasons, the scientific explorations on the limits of zipper actuators for THz switches with regard to their contact forces and the investigation of different switch arrangements for the realization of THz switches with high isolation are regarded as the central motives of this work. Therefore, the fabrication of electrostatic zipper actuators is primarily investigated. The main focus in the fabrication process is on the galvanic fabrication of curved nickel beams with a defined distribution of the intrinsic stress in the material. In order to realize actuators with defined actuation voltages and contact forces, a detailed examination of the electroplating process is required. Further layers such as the dielectric, the counter-electrode and the sacrificial layer are necessary for the micromechanical fabrication of the actuators. The experimental comparison of different process sequences showed that the greatest reliability in the production can be achieved by the use of thermal oxide as a dielectric and copper as a sacrificial layer. In order to be able to design actuators with high contact forces for a defined actuator stroke, an analytical model is introduced and validated. In addition, experiments are carried out in order to find the limits of the feasibility of actuators with different dimensions. By combining these findings, a prediction about the operability of any actuator geometry with regard to production and the theoretical limitations can be made. By characterization of functional actuators, the above findings are validated. Another essential component of the switch is the waveguide itself. Thus, a low loss waveguide system which allows a simple integration of actuators is needed in order to make the comparison of different switch variants possible. For this purpose, various concepts with micromechanical and milled waveguides are developed and compared with each other. The most promising concept includes a milled split-block, which is elaborated, manufactured and measured. The following design of THz switches is based on the previously developed design principles and concepts. Thus, variations in geometry with matched contact resistances are compared by simulations. The contact resistances can be determined from the maximum achievable contact forces for each arrangement. The performed comparisons show that the arrangement, which is typically selected for smaller frequencies and contains an actuator which is integrated perpendicular to the short side of the waveguide, is very difficult to fabricate. In order to ensure acceptable isolation, the actuator may only be fabricated with layer thicknesses smaller than 1 µm, which is only possible to a limited extent using electroplating processes. A switch arrangement based on a zipper actuator, which is integrated perpendicular to the long side of the waveguide, is more suitable. This arrangement is optimized, constructed and characterized. The characterization is initially carried out on passive integrated actuator structures and results in an average insertion loss of 5.6dB and an average isolation of 21.3dB. Even if the final characterization of a complete switch is still pending, it should be remembered that these results are the first in the field of THz waveguide switches. In addition, in the fields of electroplating, microactuators and waveguide technology, by experiments, theories and conceptual work, insights that go beyond the state of the art have been gained. The mutual dependency of the individual fields results in a complexity which by far exceeds the complexity of the work performed in the different fields alone. The work on all these topics leads to the general principles for the design of waveguide switches based on curled beams, regardless of the selected frequencies and the selected design.Englisch
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